Exploration of Bio and Environmental Functions of Aquatic Functional Materials

• Project Area: Aquatic Functional Materials: Creation of New Materials Science for Environment-Friendly and Active Functions
• Project/Area Number: 19H05720
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 田中 賢 九州大学, 先導物質化学研究所, 教授 (00322850)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 藤井 義久 三重大学, 工学研究科, 准教授 (70578062)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥116,480,000 (Direct Cost: ¥89,600,000、Indirect Cost: ¥26,880,000); Fiscal Year 2023: ¥16,380,000 (Direct Cost: ¥12,600,000、Indirect Cost: ¥3,780,000); Fiscal Year 2022: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2021: ¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000); Fiscal Year 2020: ¥18,460,000 (Direct Cost: ¥14,200,000、Indirect Cost: ¥4,260,000); Fiscal Year 2019: ¥46,020,000 (Direct Cost: ¥35,400,000、Indirect Cost: ¥10,620,000)
• Keywords: バイオ界面水 / 生体親和性 / 細胞接着 / 水和界面物性 / 表面ダイナミクス / 界面ダイナミクス / バイオ界面 / 水和界面 / 走査プローブ顕微鏡 / 高分子合成 / タンパク質吸着 / 界面構造・物性解析

Outline of Research at the Start

水圏バイオ・環境機能材料構築を達成するために、材料の化学構造と水和による物理化学的な物性変化により、界面水の構造・運動を制御することで、特定の生体分子や細胞を選択的に認識する生体親和性材料を創製する。界面水の構造・運動を制御するための高分子の精密合成と生体機能評価を行う。また、水中プローブ顕微鏡技術による合成高分子の界面状態の解明・制御を行う。A02（先端計測・シミュレーション班）との連携により水・材料界面の状態を精密解析する技術を確立し、界面水構造・運動制御の基礎学理を構築する。A01（分子・材料構築班）と連携し、生体親和性および金属ステント表面への高接着性を示す材料の設計指針を創出する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、水圏バイオ・環境機能材料構築を達成するために、材料の化学構造と水和による物理化学的な物性変化により、界面水の構造・運動を制御することで、特定の生体分子や細胞を選択的に認識する生体親和性材料を創製する。界面水の構造・運動を制御するための高分子の精密合成と生体 機能評価を行う。また、水中プローブ顕微鏡技術による合成高分子の界面状態の解明・制御を行う。A02（先端計測・シミュレーション班）との連携により水・材料界面の状態を精密解析する技術を確立し、界面水構造・運動制御の基礎学理を構築する。A01（分子・材料構築班）と連携し、生体親和性および金属ステント表面への高接着性を示す材料の設計指針を創出する。本年度は、材料と細胞・血漿タンパク質との相互作用における水による溶媒和の重要性に着目し、同一の側鎖官能基の高分子主鎖に対する導入間隔を厳密に制御することで水和状態の制御を達成し、抗血栓性に与える影響を明らかにした。ポリ（2-メトキシエチルアクリレート）（PMEA）に形成される水和水に着目し、その発現量の制御を行った。合成手法として開環メタセシス重合を採用し、regio選択的な重合を達成することで、PMEAの側鎖官能基を主鎖ポリエチレン骨格に対して2、4、5、7、8炭素おきに導入したモデル高分子を合成した。側鎖導入間隔に応じて中間水の発現量が単調に変化することが明らかになった。今回評価した高分子は、含水する際のイオンの有無によって観測される中間水量が大きく変化することが分かった。また、放射光・中性子を用いた先端計測・解析との連携により、水・材料界面の構造・運動の解明のためのサンプル調整と実験条件検討を行った。さらに、生体親和性示す水溶性の高い高分子に関して、含水量を変化させたときの水・高分子界面の形態と力学物性の基礎データを取得した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

水和環境における高分子の表面物性および水和構造・運動解析を進展させるために、官能基の構造、位置、量、配列が精密に制御された生体親和性合成高分子を合成し、9報の原著論文を出版できた。これらの合成高分子は、今後、領域内連携を推進するためのモデル材料となるものである。また、材料の化学構造と水和による物理化学的な物性変化を精密に評価するために、水和した材料の構造および運動について検討した。さらに、材料の物性が変化するときの水の状態について、A03内だけではなく、A02とも連携して詳細な解析を行った。その結果、水和した材料の構造物性の変化は、水の動態変化を伴うことを明らかにした。

Strategy for Future Research Activity

水圏バイオ・環境機能材料構築を達成するために、官能基の構造、位置、量、配列が制御されたモデル高分子を合成する。水・高分子界面の物理化学特性についてプローブ顕微鏡測定、中性子散乱測定、放射光分光、テラヘルツ分光、全原子シミュレーションにより明らかにする。 1. 生体親和性に影響する中間水量を厳密に制御するために、高分子の側鎖に導入する官能基が制御された新規高分子を合成する。また、ステントへのコーティング安定性を向上させるために、側鎖に各種官能基を導入した単環式オレフィン類をモノマーとして精密合成し、重合を行う。 2. 乾燥状態および含水量の異なる水和状態における高分子のガラス転移温度、弾性率などの物理化学的な材料物性の変化を定量化する。また、重水素化されたポリ（2－メトキシエチルアクリレート）などの高分子の水和構造をA02 の放射光・中性子を用いた先端計測・解析により明らかにする。 3. 乾燥状態の高分子表面にタンパク質吸着抑制に影響する水和層が形成されるまでの過程について、高分子の空間分布変化、水の吸着サイト、水の水素結合ネットワーク構造を解析する。水圏における合成高分子の表面物性および水和構造・運動性の解析結果とタンパク質の吸着・構造変化、細胞の接着・増殖・機能との相関を明らかにする。また、含水時の材料物性と細胞接着挙動の予測を可能にする機械学習モデルを検討する。 4. 生体親和性を発現する高分子と水との界面における水の状態をA02 の先端的な分光手法と協働することで明らかにし、高分子と水それぞれの物理化学特性を突き合わせ、その支配因子を検討する。さらに得られた知見は機械学習の予測最適化のための基礎データとしてフィードバックする。

Research Products

• [Int'l Joint Research] バイオマテリアル研究所(エジプト)
• [Int'l Joint Research] グラスゴー大学(英国)
• [Int'l Joint Research] デンマーク工科大学(デンマーク)
• [Int'l Joint Research] デンマーク工科大学(デンマーク)
• [Journal Article] Evaluation of Local Gelation Behavior of Aqueous Methylcellulose Solution Using Quartz Crystal Microbalance (2021)
  • Author(s): Kenji Yamaoka, Yoshihisa Fujii, Naoya Torikai
  • Journal Title: MATERIALS TRANSACTIONS Volume: 62 Issue: 5 Pages: 647-654
  • DOI: 10.2320/matertrans.MT-M2020392
  • NAID: 130008029710
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • Year and Date: 2021-05-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Evaluation of Local Gelation Behavior of Aqueous Methylcellulose Solution Using Quartz Crystal Microbalance (2021)
  • Author(s): 山岡賢司, 藤井義久, 鳥飼直也
  • Journal Title: Journal of the Japan Institute of Metals and Materials Volume: 85 Issue: 1 Pages: 23-29
  • DOI: 10.2320/jinstmet.JD202007
  • NAID: 130007959981
  • ISSN: 0021-4876, 1880-6880, 2433-7501
  • Year and Date: 2021-01-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effect of interfacial structure based on grafting density of poly(2-methoxyethyl acrylate) on blood compatibility (2021)
  • Author(s): Tomoya Ueda, Daiki Murakami, Masaru Tanaka
  • Journal Title: Colloids and Surfaces B: Biointerfaces Volume: 199 Pages: 111517-111517
  • DOI: 10.1016/j.colsurfb.2020.111517
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A fully covered self-expandable metallic stent coated with poly (2-methoxyethyl acrylate) and its derivative: In vitro evaluation of early-stage biliary sludge formation inhibition (2021)
  • Author(s): Yoshihide Toyokawa, Shingo Kobayashi, Haruka Tsuchiya, Tomokazu Shibuya, Makiko Aoki, Jun Sumiya, Shun Ooyama, Tetsuya Ishizawa, Naohiko Makino, Yoshiyuki Ueno, Masaru Tanaka
  • Journal Title: Materials Science and Engineering: C Volume: 120 Pages: 111386-111386
  • DOI: 10.1016/j.msec.2020.111386
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Methoxy-Functionalized Glycerol-Based Aliphatic Polycarbonate: Organocatalytic Synthesis, Blood Compatibility, and Hydrolytic Property (2021)
  • Author(s): Valentina Montagna, Junko Takahashi, Meng-Yu Tsai, Takayuki Ota, Nicolas Zivic, Seigou Kawaguchi, Takashi Kato, Masaru Tanaka, Haritz Sardon, Kazuki Fukushima
  • Journal Title: ACS Biomaterials Science & Engineering Volume: 7 Issue: 2 Pages: 472-481
  • DOI: 10.1021/acsbiomaterials.0c01460
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Elucidating the Feature of Intermediate Water in Hydrated Poly(ω-methoxyalkyl acrylate)s by Molecular Dynamics Simulation and Differential Scanning Calorimetry Measurement (2020)
  • Author(s): An-Tsung Kuo, Toshiki Sonoda, Shingo Urata, Ryohei Koguchi, Shingo Kobayashi, Masaru Tanaka
  • Journal Title: ACS Biomaterials Science & Engineering Volume: 6 Issue: 7 Pages: 3915-3924
  • DOI: 10.1021/acsbiomaterials.0c00746
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Elucidating the Feature of Intermediate Water in Hydrated Poly(ω-methoxyalkyl acrylate)s by Molecular Dynamics Simulation and Differential Scanning (2020)
  • Author(s): Shin-nosuke Nishimura, Tomoya Ueda, Shingo Kobayashi, Masaru Tanaka
  • Journal Title: ACS Applied Polymer Materials Volume: 2 Issue: 11 Pages: 4790-4801
  • DOI: 10.1021/acsapm.0c00776
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Side-Chain Spacing Control of Derivatives of Poly(2-methoxyethyl acrylate): Impact on Hydration States and Antithrombogenicity (2020)
  • Author(s): Toshiki Sonoda, Shingo Kobayashi, Keisuke Herai, Masaru Tanaka
  • Journal Title: Macromolecules Volume: 53 Issue: 19 Pages: 8570-8580
  • DOI: 10.1021/acs.macromol.0c01144
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Molecular Dynamics Study on the Water Mobility and Side-Chain Flexibility of Hydrated Poly(ω-methoxyalkyl acrylate)s (2020)
  • Author(s): An-Tsung Kuo, Shingo Urata, Ryohei Koguchi, Toshiki Sonoda, Shingo Kobayashi, Masaru Tanaka
  • Journal Title: ACS Biomaterials Science & Engineering Volume: 6 Pages: 6690-6700
  • DOI: 10.1016/j.colsurfb.2020.111449
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Periodically Functionalized Linear Polyethylene with Tertiary Amino Groups via Regioselective Ring-Opening Metathesis Polymerization (2020)
  • Author(s): Toshiki Sonoda, Shingo Kobayashi, Masaru Tanaka
  • Journal Title: Macromolecules Volume: 54 Issue: 6 Pages: 2862-2872
  • DOI: 10.1021/acs.macromol.0c02611
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Blood-Compatible Poly(2-methoxyethyl acrylate) Induces Blebbing-like Phenomenon and Promotes Viability of Tumor Cells in Serum-Free Medium (2020)
  • Author(s): Tsai Meng-Yu、Aratsu Fumihiro、Sekida Shogo、Kobayashi Shingo、Tanaka Masaru
  • Journal Title: ACS Applied Bio Materials Volume: - Issue: 4 Pages: 1858-1864
  • DOI: 10.1021/acsabm.9b00885
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Design of Polymeric Biomaterials: The “Intermediate Water Concept” (2019)
  • Author(s): M. Tanaka, S. Kobayashi, D. Murakami, F. Aratsu, A. Kashiwazaki, T. Hoshiba, K. Fukushima
  • Journal Title: Bulletin of the Chemical Society of Japan Volume: 92 Issue: 12 Pages: 2043-2057
  • DOI: 10.1246/bcsj.20190274
  • NAID: 130007761387
  • ISSN: 0009-2673, 1348-0634
  • Year and Date: 2019-12-15
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Control of interfacial structures and anti-platelet adhesion property of blood-compatible random copolymers (2019)
  • Author(s): Murakami Daiki、Segami Yuto、Ueda Tomoya、Tanaka Masaru
  • Journal Title: Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition Volume: 31 Issue: 2 Pages: 207-218
  • DOI: 10.1080/09205063.2019.1680930
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Design of Polymeric Biomaterials for Medical Devices and Tissue Engineering: The “Intermediate Water Concept” (2021)
  • Author(s): Masaru Tanaka
  • Organizer: 2021 2nd International Conference on Materials Science and Engineering (IC-MSE 2021)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 中間水コンセプトによる多機能生体親和性高分子の設計 (2021)
  • Author(s): 田中 賢
  • Organizer: 2020東海シンポジウム(高分子学会東海支部)
  • Invited
• [Presentation] 生体親和性材料の表面・界面設計とスクリーニング法 (2020)
  • Author(s): 田中 賢
  • Organizer: 生体親和性材料Webセミナー
  • Invited
• [Presentation] 生体親和性材料によるバイオ界面設計 (2020)
  • Author(s): 田中 賢
  • Organizer: 花王株式会社特別講演会
  • Invited
• [Presentation] 生体親和性材料の設計と製品展開 (2020)
  • Author(s): 田中 賢
  • Organizer: 日本学術振興会創造機能化学第116委員会講演会
  • Invited
• [Presentation] Measurement of Peeling Behavior on Interfacial Polystyrene Adsorbed Layer by Using Pressure-Sensitive Adhesive Tape (2020)
  • Author(s): Kohei Koshisuka, Yoshihisa Fujii, Naoya Torikai
  • Organizer: The 10th International Symposium for Sustainability by Engineering at MIU
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 高分子界面の局所構造・物性解析と接着劣化分析への応用 (2020)
  • Author(s): 藤井義久
  • Organizer: 日本分析化学会中部支部三重地区講演会
  • Invited
• [Presentation] 中性子準弾性散乱法による中間水のダイナミクス解析 (2020)
  • Author(s): 村上大樹, 藤井義久, 富永大輝, 瀬戸秀樹, 田中賢
  • Organizer: 第69回高分子学会年次大会
• [Presentation] 側鎖導入間隔を制御した新規ポリオレフィン系高分子の合成および水和構造の解析 (2020)
  • Author(s): 吉田健人，小林慎吾，田中 賢
  • Organizer: 日本バイオマテリアル学会第9回九州ブロック講演会
• [Presentation] 医用高分子の開発と生体親和性発現機構の解明 (2019)
  • Author(s): Masaru Tanaka
  • Organizer: 市村賞受賞記念フォーラム
  • Invited
• [Presentation] PMEA/水界面の微細構造による細胞接着性制御 (2019)
  • Author(s): 村上大樹，上田智也，瀬上裕斗，田中 賢
  • Organizer: 第68回高分子討論会
• [Presentation] 一次構造を制御したPMEA類自体における水和水の運動性評価 (2019)
  • Author(s): 岡崎恭貴，藤原渉，小林慎吾，田中 賢
  • Organizer: 第68回高分子討論会
• [Presentation] Analysis of Interaction Between Nano-Structures and Fibrinogen at Blood-Compatible (2019)
  • Author(s): Tomoya Ueda，Daiki Murakami，Masaru Tanaka
  • Organizer: The7th Asian Biomaterials Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Control of Interfacial Structures and Protein Adsorption by the Composition of Blood-Compatible Random Copolymers (2019)
  • Author(s): Yuto Segami，Tomoya Ueda，Daiki Murakami，Masaru Tanaka
  • Organizer: The7th Asian Biomaterials Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of Molecular Weight of Poly(2-methoxyethyl acrylate) on Interfacial Structure and Biocompatibility (2019)
  • Author(s): Daiki Murakami，Nami Mawatari，Tosiki Sonoda，Aki Kashiwazaki，Masaru Tanaka
  • Organizer: The7th Asian Biomaterials Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] がん検査への応用を目指した血液適合性高分子材料上でのがん細胞生存性評価 (2019)
  • Author(s): 関田将伍，荒津史裕，穴田貴久，田中 賢
  • Organizer: 第9回CSJ化学フェスタ
• [Presentation] カルボニル基の位置を変更したPMEA類似体における水和水の運動性評価 (2019)
  • Author(s): 岡崎恭貴，藤原渉，小林慎吾，田中 賢
  • Organizer: 第9回CSJ化学フェスタ
• [Presentation] Effect of Interfacial Poly(2-methoxyethyl acrylate) Analogue on Cell Attachment (2019)
  • Author(s): Kei Nishida，Shingo Kobayashi，Takahisa Anada，Tomoya Ueda，Masaru Tanaka
  • Organizer: China-Japan Biopolymer Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Synthesis of Antithrombotic Silsesquioxane/PMEA Hybrid via Thiol-initiated Radical Polymerization for Exceeding the Limitation of Coatability and Stability of PMEA Homopolymer (2019)
  • Author(s): Shin-nosuke Nishimura，Tomoya Ueda，Shingo Kobayashi，Masaru Tanaka
  • Organizer: China-Japan Biopolymer Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evaluation of Cellular Uptake Behavior of Water-Solble PMEA Analogs Having Different Hydration State (2019)
  • Author(s): Hiroki Uehara，Kei Nishida，Shingo Kobayashi，Masaru Tanaka
  • Organizer: China-Japan Biopolymer Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] フッ素系合成高分子による低タンパク質吸着表面設計 (2019)
  • Author(s): 小口亮平, 田中 賢
  • Organizer: 第36回医用高分子研究会講座
  • Invited
• [Presentation] HEMA共重合体の水和状態の制御と生体不活性の発現 (2019)
  • Author(s): 小口亮平，Katja Jankova，山本今日子，田中 賢
  • Organizer: 第41回日本バイオマテリアル学会年会
• [Presentation] シルセスキオキサン/ポリ(2-メトキシエチルアクリレート)ハイブリッドの合成とそのコーティング特性および抗血栓性評価 (2019)
  • Author(s): 西村慎之介，上田智也，小林慎吾，田中 賢
  • Organizer: 第41回日本バイオマテリアル学会年会
• [Presentation] Design of Soft-Biomaterials Based on Intermediated Water Contents (2019)
  • Author(s): Masaru Tanaka
  • Organizer: Materials Research Meeting 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 血中に含まれるがん細胞 (CTC) の選択分離回収技術 (2019)
  • Author(s): Masaru Tanaka
  • Organizer: 九州大学ベンチャーエコシステム連絡会
  • Invited
• [Presentation] Design of Soft-Biomaterials The Intermediate Water Concept (2019)
  • Author(s): Masaru Tanaka
  • Organizer: 2019 International Conference on Materials Science and Engineering
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] High-Frequency Rheometry of Methylcellulose Aqueous Solution using Quartz Crystal Microbalance (2019)
  • Author(s): 山岡賢司，藤井義久，鳥飼直也
  • Organizer: The 9th International Symposium for Sustainability by Engineering at MIU
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evaluation of Surface Structure of Polystyrene Thin Films Used Various Good Solvents (2019)
  • Author(s): 宮田淳史，藤井義久，鳥飼直也
  • Organizer: The 9th International Symposium for Sustainability by Engineering at MIU
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of Polymer Solution Properties on Membrane Structure and Filtration Performance (2019)
  • Author(s): 板倉圭吾，藤井義久，鳥飼直也
  • Organizer: The 9th International Symposium for Sustainability by Engineering at MIU
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 基板界面近傍におけるメチルセルロース水溶液の粘弾性 (2019)
  • Author(s): 山岡賢司，藤井義久，内藤昌信，鳥飼直也
  • Organizer: 第67回レオロジー討論会
• [Presentation] 高分子薄膜の表面形態に及ぼすスピンコート時の溶液濃縮過程の影響 (2019)
  • Author(s): 宮田淳史，藤井義久，鳥飼直也
  • Organizer: 第67回レオロジー討論会
• [Presentation] 限外ろ過膜の相分離構造と分離性能に及ぼす高分子溶液粘度の効果 (2019)
  • Author(s): 板倉圭吾，藤井義久，鳥飼直也
  • Organizer: 第67回レオロジー討論会
• [Presentation] 水晶振動子を用いた界面近傍の粘弾性評価と基板表面性状の効果 (2019)
  • Author(s): 山岡賢司，藤井義久，鳥飼直也
  • Organizer: 微小領域の力学特性評価とマルチスケールモデリング 研究会
• [Presentation] ロバスト炭素膜の作製と水処理への応用 (2019)
  • Author(s): 藤井義久
  • Organizer: 第93回高分子若手研究会[関西]
  • Invited
• [Remarks] 研究室HP（田中）
  • URL: http://www.soft-material.jp
• [Remarks] 研究室HP（藤井）
  • URL: http://www.oms.chem.mie-u.ac.jp/index.html
• [Remarks] 領域HP
  • URL: https://www.aquatic-functional-materials.org/
• [Remarks] 研究室HP（田中）
  • URL: http://www.soft-material.jp/